双通道滤棒切割装置设计及仿真分析

谢明金,韩红彬,李义端

中烟机械技术中心有限责任公司,上海市浦东新区金海路1000号10栋 201206

双通道滤棒切割装置设计及仿真分析

谢明金,韩红彬,李义端

中烟机械技术中心有限责任公司,上海市浦东新区金海路1000号10栋 201206

为掌握双通道滤棒切割技术,分析了切割装置的结构原理,通过建立刀盘和旋转喇叭嘴的数学模型,推导了滤棒长度与刀盘倾斜角及喇叭嘴旋转直径之间的关系,并进行了仿真分析.结果表明:①双通道滤棒切割装置的设计首先需确定双通道中心间距、切刀宽度、刀盘直径和刀盘旋转中心位置;②滤棒长度决定刀盘倾斜角;③滤棒长度和刀盘倾斜角决定喇叭嘴旋转直径;④在Matlab软件中求解不同滤棒长度下刀盘倾斜角和喇叭嘴旋转直径,其计算值与G.D公司提供值偏差较小.以切刀、喇叭嘴和滤棒三者的空间交互运动建立的数学模型,其理论分析和计算结果是正确的,能够用于计算和设计不同滤棒长度规格的双通道滤棒切割装置.

滤棒成型机组;双通道;刀盘;喇叭嘴;切割装置

滤棒切割装置是滤棒成型机组中的关键部件之一,主要用于将卷制成型后高速直线运动的滤棒条切割成长度相等、切口平齐的滤棒[1].此前国内使用的滤棒成型设备全部为单通道技术,喇叭嘴一般安装在曲柄滑块机构的滑块上,工作时的冲击和振动较大[2-4].目前国内正在引进意大利G.D公司的双通道滤棒成型机技术,该成型机的切割装置具有运行稳定、振动小等特点,现已成为行业研究的热点[5-8].双通道滤棒成型机使用的滤棒切割装置与单通道的滤棒切割装置不同,双通道滤棒切割技术采用虎克式刀盘对两个通道中的滤棒在中心线两侧依次进行切割,切割瞬间由连杆式旋转喇叭嘴支撑滤棒.在技术引进过程中,G.D公司只提供了几组滤棒长度规格的相关变换件图纸,没有提供设计依据,当需要生产其他长度规格的滤棒时,滤棒切割装置上的许多部件还需进口.为此,对双通道滤棒切割装置的结构原理进行分析,通过建立刀盘和旋转喇叭嘴的数学模型,推导滤棒长度与刀盘倾斜角及喇叭嘴旋转直径之间的关系,以期为尽快掌握和应用双通道滤棒切割技术提供依据.

1 切割装置的结构原理

双通道滤棒成型机切割装置主要由刀盘、喇叭嘴、磨刀装置、喇叭嘴升降装置和刀盘电机等部分组成.其中,刀盘和喇叭嘴是切割装置的关键部件[9].

1.1 虎克式刀盘

虎克式刀盘主要由刀盘轴、切刀、十字体和虎克轴组成,见图1.其中,刀盘轴1安装在刀盘上,与刀盘的倾斜角度相同,由伺服电机驱动;虎克轴4安装在机架上,保持水平;十字体3上的轴a套装在刀盘轴1的轴叉上,十字体3上的轴b套装在虎克轴4的轴叉上;切刀2安装在十字体3上,随十字体一起运动.

当刀盘工作时,伺服电机驱动刀盘轴以角速度ω1转动,虎克轴在机架上以角速度ω2转动,十字体带动切刀一边随虎克轴做圆周运动,一边在虎克轴上以角速度ω3绕轴b摆动[10].切刀随虎克轴的圆周运动用于对滤棒进行周而复始的切割,切刀在虎克轴上的摆动用于保障切割时切刀与滤棒轴向同步运动.当ω1恒定时,ω2和ω3的大小与刀盘轴的倾斜角和刀盘轴转动的角度有关.因此,当滤棒长度规格发生变化时,需要调整刀盘轴的倾斜角.

图1 虎克式刀盘结构图

1.2 连杆式旋转喇叭嘴

连杆式旋转喇叭嘴传动系统主要由主动盘、转轴、从动盘、连杆和喇叭嘴组成,见图2.其中,主动盘1与从动盘4一起安装在支撑架上,可绕各自中心轴转动;主动盘和从动盘上都设有均布的4个孔,孔内分别安装转轴2和转轴3,8根转轴之间由4根连杆5进行连接,并用螺钉锁紧,每根转轴2上安装有两个喇叭嘴6(相当于安装在连杆5上).由于孔的中心到转盘中心的距离均相等,主动盘1和从动盘4等同于8根长度相同的曲柄,与4根长度相等的连杆5构成4个平行四边形机构.平行四边形机构的特点是连杆自身的角速度为零[11].

图2 连杆式旋转喇叭嘴传动系统结构图

当喇叭嘴工作时,伺服电机驱动主动盘以角速度ω4转动,转轴2带动喇叭嘴6一边随主动盘以角速度ω4公转,一边绕自身旋转中心以角速度-ω4自转.喇叭嘴的公转用于保障滤棒切割时喇叭嘴与滤棒纵向同步运动;喇叭嘴的自转用于保障喇叭嘴一直保持竖直,使滤棒切割时不与刀盘发生干涉,并使滤棒切口平齐.喇叭嘴在滤棒切割时的水平分速度与主动盘转速和曲柄长度有关,当滤棒长度规格发生变化时,需要调整曲柄长度.

2 切割装置的数学模型

单通道滤棒切割装置的刀盘和喇叭嘴通常采用一个伺服电机驱动,其间通过齿轮和蜗杆传动保持同步.而双通道滤棒切割装置的刀盘和喇叭嘴采用两个独立的伺服电机进行驱动,由电气检测和控制系统保持同步.刀盘上对称安装两把切刀,刀盘每转动一圈共切割出4支滤棒,每个通道两支,刀盘转动角速度与滤棒生产速度和滤棒长度有以下关系:

式中:ω1为刀盘驱动轴角速度,rad/s;V为单通道滤棒直线速度,m/min;L为生产的滤棒长度,mm.

十字体传动关系如图3所示,当刀盘的倾斜角为θ时,假设点A0为十字体上轴a中心线上的一点,点B0为十字体上轴b中心线上的一点,且十字体上轴a和轴b的交点到A0和B0的距离相等,则A0绕刀盘轴的运动轨迹为一个圆,B0绕虎克轴的运动轨迹也是一个圆,B0的运动轨迹在A0的运动轨迹所在平面上的投影为一个椭圆.当A0转动角度α1到达 A1点时,B0转动角度α2到达 B1点,B2点为 B1点的投影点,由于OA0与OB0始终垂直,则∠B0OB2=∠A0OA1=α1;B3点为B1点绕OB0轴线旋转角度θ后的点,则∠B0OB3=α2.由图3可得以下关系式[12]:

将式(2)简化并两边平方后可得:

将式(2)中的 α1和α2对时间t求导可得:

联立求解式(3)和式(4)可得:

式中:ω2为刀盘虎克轴角速度,rad/s;θ为刀盘轴与虎克轴的夹角,(°);α1为刀盘轴的转角,(°).

图3 十字体传动关系图

由此可见,虎克轴的角速度做周期性变化,当α1等于0或180°时,ω2max=ω1/cos θ;当α1等于90°或270°时,ω2min=ω1cos θ.

假设当刀盘轴转动角度α1时,十字体绕其上的轴b摆动角度α3,投影距离B1B2随α3变化而变化,则 sin α3=B1B2/OB1.由于 B1B2/B1B0=sin θ,B1B0/OB1=CB2/OB2=sin α1,整理后可得:

将式(6)中的α1和α3对时间t求导可得:

式中:ω3为十字体摆动时的角速度,rad/s.

十字体在相对虎克轴的坐标系下为来回摆动状态,但当摆动半个周期后,虎克轴正好带动十字体翻转180°,致使十字体在绝对坐标系下一直保持向一个方向摆动.因此式(7)中,当90°≤α1≤270°时取负号;当-90°lt;α1lt;90°时取正号;当α1等于0或180°时,ω3max=ω1sin θ.

双通道滤棒切割装置如图4所示,喇叭嘴转盘上均布安装4套喇叭嘴,转盘每转动一圈共切割出8支滤棒,每个通道4支,喇叭嘴转动角速度与滤棒生产速度和滤棒长度有以下关系:

式中:ω4为喇叭嘴驱动盘的角速度,rad/s.

图4 双通道滤棒切割装置示意图

设计时首先确定两个成型腔的中心距离为41 mm,刀盘虎克轴与成型腔中心的垂直距离为235 mm,切刀宽度为60 mm.为使切刀从切入喇叭嘴到转至垂直位置的时间与从垂直位置脱开喇叭嘴的时间相等,应使切入和脱开时切刀与垂直方向的夹角同为β.因此,将刀盘虎克轴由两个成型腔的中心向脱开侧偏移一定距离,偏移后与切入侧的水平距离为25 mm.在将切刀形状和高度调整至预设值后,可测量得到切刀切入滤棒时β1=11.5°,切刀切入喇叭嘴时β2=12.9°.当切刀由零点位置转到切入位置时,α2=90°-β,再转过角度β到达竖直位置,在此过程中刀盘轴转角由式(2)可知tan(90°-α1)/tan(90°-β)=cos θ,则α1=arctan(tan β/cos θ).

在对双通道滤棒进行切割过程中,切刀和喇叭嘴在滤棒运动方向的分速度都是先逐渐增大,在竖直位置达到最大值,再逐渐减小,因此无法与滤棒运动速度保持同步.为使滤棒切口平齐,切刀切入滤棒时的刀刃和切刀脱开滤棒时的刀背在滤棒前进方向的线速度应等于滤棒线速度,即:

将式(7)和式(1)代入式(9)后整理可得:

由式(10)可求解不同滤棒长度时的刀盘倾斜角度.同时,切割时喇叭嘴在滤棒运动方向移动的总长度应等于该段时间内滤棒前进的距离,即:

式中:D为喇叭嘴的旋转直径,mm;t为切刀切入喇叭嘴位置转动至竖直位置所需的时间,s.

因此,切刀切入时间与刀盘轴的转角和转速有以下关系:

由式(8)可知,α4=α1/2,再联立式(11)和式(12)可得:

由式(13)可求解不同滤棒长度和刀盘倾斜角时喇叭嘴的旋转直径.依据式(10)和式(13)在Matlab软件中求解不同滤棒长度下刀盘倾斜角和喇叭嘴旋转直径[13],并将计算值与G.D提供值进行对比,结果见表1.可见,计算值与G.D提供值偏差较小.

表1 不同滤棒长度下刀盘倾斜角和喇叭嘴旋转直径的计算值与G.D提供值对比

3 切割装置的仿真分析

在Creo Parametric软件中建立简化的切割装置参数化三维模型,以Parasolid格式输出并导入至ADAMS软件中[14-15],仿真模型见图5.

当滤棒长度L=126 mm,单通道生产速度V=500 m/min时,根据式(1)可计算出驱动轴角速度ω1,将此运动定义到切割装置仿真模型(反方向旋转),测得的虎克轴和十字体角速度随时间变换曲线见图6.可见,仿真结果与式(5)和式(7)的计算结果相同,表明切割装置数学模型的理论基础是正确的.

图5 切割装置仿真模型

图6 虎克轴和十字体角速度随时间变换曲线

在切刀和喇叭嘴的切割滤棒处添加marker点,仿真时测量这两个点沿滤棒前进方向的线速度,见图7.仿真结果显示,在切割滤棒前后,切刀和喇叭嘴在滤棒运动方向的分速度都是先逐渐增大,在竖直位置达到最大且大于滤棒前进速度时,再逐渐减小,表明切割装置数学模型的分析是正确的.

图7 喇叭嘴、切刀和滤棒线速度随时间变换曲线

在切刀和喇叭嘴之间定义接触力,然后建立对该接触力进行测量的函数,最后定义监视测量函数的传感器,由此对切割装置进行动态碰撞检测.按表1中计算值逐个进行仿真,结果显示,切割装置在运动过程中,切刀和喇叭嘴不会发生碰撞,表明切割装置数学模型的计算结果是正确的.

4 结语

在设计双通道滤棒切割装置时,首先应确定双通道中心间距、切刀宽度、刀盘直径和刀盘旋转中心位置;然后以切刀刀刃切入滤棒和刀背脱开滤棒时,切刀水平方向线速度等于滤棒线速度为原则,计算不同滤棒长度时的刀盘倾斜角度;最后以切刀刀刃进入喇叭嘴至刀背脱开喇叭嘴过程中,喇叭嘴在水平方向前进的距离等于滤棒前进距离为原则,计算不同滤棒长度和刀盘倾斜角度时的喇叭嘴旋转直径.仿真结果显示,建立的切割装置数学模型的理论分析和计算结果是正确的.以切刀、喇叭嘴和滤棒三者的空间交互运动建立的数学模型,能够用于计算和设计不同滤棒长度规格的双通道滤棒切割装置.

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责任编辑 曹 娟

Design and Simulation Analysis of Cutoff Device for Twin Filter Rods

XIE Mingjin,HAN Hongbin,and LI Yiduan
China Tobacco Machinery Technology Center Co.,Ltd.,Shanghai 201206,China

In order to master the cutoff device for twin filter rods in filter rod maker,the structure of the device was analyzed.The relationships of filter plug length with the inclination angle of cutoff blade carrier and the rotational diameter of ledgers were derived and a mathematic model was developed,simulation analysis was conducted as well.The results showed that:1)The center-to-center distance between the twin filter rods,blade width and the diameter and rotary center location of blade carrier should be decided before designing.2)Filter plug length decided the inclination angle of blade carrier.3)Filter plug length and the inclination angle of blade carrier decided the rotational diameter of the ledgers.4)The inclination angles of blade carrier and the rotational diameter of ledgers corresponding to various filter plug lengths were calculated with Matlab software,the calculated results were close to the values provided by G.D Corporation.The theoretical analysis and calculation results of the mathematic model were proved to be correct and applicable to designing the cutoff device for twin filter rods.

Filter maker;Twin filter rods;Cutoff blade carrier;Ledger;Cutoff device

TS457

B

1002-0861(2015)10-0084-05

10.16135/j.issn1002-0861.20151015

2015-02-25

2015-07-08

中国烟草总公司科技重点项目quot;1 000米/分钟滤棒成型机组引进技术消化吸收quot;(110201202020).

谢明金(1983-),硕士,工程师,主要从事滤棒成型机的设计与开发.E-mail:95400243@qq.com

谢明金,韩红彬,李义端.双通道滤棒切割装置设计及仿真分析[J].烟草科技,2015,48(10):84-88.XIE Mingjin,HAN Hongbin,LI Yiduan.Design and simulation analysis of cutoff device for twin filter rods[J].Tobacco Scienceamp;Technology,2015,48(10):84-88.